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Développement d’un nouvel instrument pour l’application de la spectroscopie submillimétrique à l’étude de la réactivité pour l’astrochimie – OSCAR

OSCAR

Original Sub-millimeter Chirped pulse instrumentation for Astrochemical Reactivity

La spectroscopie rotationnelle large bande pour l'étude de la réactivité en phase gazeuse à basse température

Le développement et la validation d'une nouvelle méthode spectroscopique pour étudier la formation d'une large gamme d'espèces à partir de réactions considérées comme importantes dans les environnements astrochimiques. L'objectif est d'étudier la spectroscopie rotationnelle de radicaux et de molécules stables dans la gamme submillimétrique.

La spectroscopie «chirped pulse« large bande avec deux types d'instrument.
(I) Un spectromètre fabriqué avec des composants électroniques, notamment une chaine de multiplication de fréquence pour accéder aux fréquences submillimétriques et un système de mélangeur subharmonique.
(II) Un spectromètre optoélectronique utilisant des photomélangeurs à base de LT-GaAs dans un régime pulsé pour atteindre la gamme de fréquences submillimétriques.

L'instrument électronique «chirped pulse« a été construit et fonctionne. Ses capacités ont été testées en étudiant la spectroscopie de molécules stables telles que OCS et CH3OH dans la gamme 190-210 GHz.

L'instrument électronique «chirped pulse« sera appliqué à la détection d'espèces radicalaires à la fin de 2017. Cela fournira un test rigoureux de la sensibilité de l'instrument. Le spectromètre sera couplé avec un appareillage de tuyère de Laval à Bordeaux en 2018 pour étudier la réactivité à basse température.

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Le but ultime des expériences de cinétiques en phase gazeuse est de caractériser, de manière la plus complète possible, les processus réactifs. C’est-à-dire de déterminer précisément, sur la plus grande gamme possible de température, la constante de vitesse globale ainsi que les rapports de branchements des produits formés. Parmi ces études, celles portant sur la réactivité à basse température est un domaine en plein développement. Parallèlement, l’augmentation de sensibilité et de résolution spatiales des télescopes modernes permet la découverte continuelle de nouvelles molécules de plus en plus complexes, dans des milieux où l’on pensait que ne pouvait exister que des espèces très simples. L’étude de la formation et de l’évolution à très basses température de ces molécules complexes est le principal objectif de l’astrochimie. De notables progrès techniques ont été faits dans l’étude de la réactivité ces dernières décennies, permettant l’obtention de très basses températures et des densités élevées d’espèces réactives dans la phase gazeuse. Ces progrès ont permis l’étude de la réactivité chimique dans des domaines de température identiques à celle du milieu interstellaire. La plupart de ces études portent sur la détermination des constantes de vitesse, détermination relativement courante actuellement même aux basses températures. Il existe par contre peu d’études portant sur les rapports de branchements, et quasiment aucunes pour les basses températures. Ces études sont rares due à l’absence de détecteur versatile permettant la détection simultanée, et quantitatives, des différents produits formés lors des réactions chimiques.
Nous proposons d’étudier les rapports de branchement des réactions chimiques en phase gazeuse à basse température en combinant les nouveaux développements en spectroscopie rotationnelle avec ceux des études cinétiques à basse température, en développant en parallèle un nouvel instrument couvrant des plus hautes fréquences. Le projet est organisé en trois parties principales.
1) Le développement et la validation d’un spectromètre large bande dans le Sub-MilliMètrique (SMM) pour étudier la spectroscopie rotationnelle d’un grand nombre de radicaux et de molécules.
Cet instrument sera conçu pour être appliqué à l’étude de la phase gazeuse en particulier pour la réactivité à basse température. Il sera optimisé sur la spectroscopie de molécule stable puis appliqué à l’étude d’espèces intermédiaires réactives générées par photolyse.
2) Le couplage de l’instrument SMM avec un réacteur chimique permettant d’atteindre des basses températures en évitant les problèmes de condensation et de réactions aux parois.
Le couplage de l’instrument SMM avec un réacteur permettant d’atteindre les basses températures sera validé par l’étude de la spectroscopie de molécules stables, puis sur l’étude de la cinétique de formation de cluster qui montrera l’efficacité et les performances de l’appareil. Finalement l’instrument SMM permettra, sur ce même réacteur, la détection simultanée des produits de réactions chimique, et la disparition des réactifs, dans une large gamme de température.
3) Le développement, et la validation, d’un nouveau type de spectromètre utilisant les conversions optoélectroniques permettant de dépasser les limites des appareils purement électroniques.
Ce spectromètre optoélectronique permettra l’obtention d’une beaucoup plus grande largeur de bande et d’une meilleure accordabilité (avec en plus la possibilité de travailler à des plus hautes fréquences), tout en maintenant une haute résolution comparable à celle des instruments tout-électroniques. Cela permettra donc l’étude d’un nombre beaucoup plus important d’espèces dans un temps plus court.

Coordinateur du projet

Monsieur Kevin HICKSON (Institut des Sciences Moléculaires)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

ISM Institut des Sciences Moléculaires
LPCA Laboratoire de Physico-Chimie de l'Atmosphère
IEMN Institut d'Electronique, de Microelctronique et de nanotechnologie

Aide de l'ANR 589 999 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2016 - 48 Mois

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